Надтопочные конвективные системы печей

ТЕПЛООБМЕННЫЕ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КОНВЕКТИВНЫХ СИСТЕМАХ

Вырабатываемая в топочных устройствах отопительных печей теплота частично аккумулируется в процессе сжигания топлива поверхностями топливника, которые воспринимают ее в основном в виде лучистой (радиационной) энергии. Другая часть тепловой энергии переходит в дымовые газы, покидающие топливник и направляющиеся под действием тяги в атмосферу. Полезно использовать теплоту дымовых газов — задача конвективных поверхностей печей.

Конвективными называют поверхности, расположенные в газоходе и обогреваемые движущимся потоком горячих дымовых газов, которые отдают свою теплоту надтопочной части печи в результате контакта со стенками каналов. Газоход большинства печей представляет собой разветвленную систему кирпичных каналов, которые формируют единый газовый тракт, начинающийся в дымоотводящем проеме топливника (хайле) и завершающийся в месте присоединения массива печи к дымовой трубе. Совокупность дымообаротов, состоящая из соединенных между собой вертикальных и горизонтальных каналов, которые предназначены для аккумуляции теплоты отходящих газов, называют конвективной системой. Та часть печи, где расположена эта система, называется конвективной зоной.

При конструировании конвективной зоны стремятся к тому, чтобы тепловая энергия дымовых газов использовалась оптимально, т. е. дымообороты должны аккумулировать теплоту отходящих газов таким образом, чтобы, поступая в атмосферу, их температура несколько превышала уровень, за пределами которого наступает конденсация газов и происходит интенсивное выпадение сажи в каналах.

Для максимального использования теплоты отходящих газов следует развивать площадь тепловоспринимающих поверхностей конвективной зоны печи путем увеличения числа каналов и протяженности пути дымовых газов. Передачу теплоты продуктов сгорания поверхностям конвективной системы называют процессом теплообмена. Количественно теплообмен между поверхностью твердого тела и газообразной средой определяется уравнением Ньютона — Рихмана:

Q = βF (tт - tст)

где Q — тепловой поток, Вт; F — площадь поверхности тепловосприятия, м2; tт, tст — температура соответственно газа и стенок, °С; β — коэффициент тепловосприятия, зависящий от условий теплообмена в печи: скорости газового потока, материала стенок каналов, шероховатости поверхностей, воспринимающих тепловой поток, и т. п.

Процесс теплообмена во многом зависит от режима движения газов. Различают ламинарное и турбулентное движения потока дымовых газов. При ламинарном движении поток газов перемещается слоями, не перемешиваясь. Весь поток газов как бы состоит из множества тонких струек, каждая из которых движется параллельно стенкам канала (рис. 43, а). При таком режиме передача от каждой струйки к стенке конвективной поверхности осуществляется преимущественно за счет теплопроводности. Однако воздух — плохой проводник теплоты. Следовательно, интенсивность теплообмена при ламинарном движении газов низкая. Отсюда вытекает первое правило конструирования конвективных систем печей: скорость движения потока должна обеспечивать турбулентность течения дымовых газов, что способствует интенсивному восприятию теплоты стенками каналов газохода.

Рис. 43. Сопротивления конвективной системы газовому потоку



При турбулентном движении топочные газы интенсивно перемешиваются, образуя завихрения (рис. 43, г, д), благодаря чему процесс теплообмена протекает значительно эффективней по сравнению с теплообменом при ламинарном движении. Известным физиком О. Рейнольдсом (1842—1912) были установлены критерии, обусловливающие переход из ламинарного в турбулентное движение. Главными факторами возникновения турбулентного движения являются: скорость газовой среды, количество твердых частиц в ней, сечение канала и шероховатость его поверхностей, а также наличие различного рода выступов, впадин, сужений, расширений и др. Скорость газовой среды при ее постоянном объеме зависит от размеров сечений канала: чем меньше сечение, тем поток движется быстрее. Однако при этом возрастает сопротивление газохода движению газов. На сопротивление также влияют протяженность конвективной системы и наличие участков на пути продуктов горения, преодолевая которые газы меняют свое направление или переходят из канала большего сечения в канал с меньшими размерами сторон и наоборот.

Сопротивление движению газового потока, которое оказывают прямолинейные участки газохода, называют линейным, а препятствия, возмущающие поток, считают местными сопротивлениями. Линейные сопротивления (рис. 43, а) зависят от качества кладки каналов, поэтому толщина швов между рядами кладки не должна превышать 5 мм, а тепловоспринимающие поверхности следует тщательно выравнивать. Местные сопротивления в виде расширения (рис. 43,6), поворотов (рис. 43, в), сужения снизу (рис. 43, г) или сверху (рис. 43, д) должны иметь плавные очертания, так как внезапные изменения скорости потока приводят к выпадению сажи из дымовых газов и к увеличению сопротивления газового тракта.

Скорость дымовых газов определяют из уравнения ν = L/F, где ν — скорость потока, м/с; L — объем дымовых газов, приведенный к температуре канала, м3; F — живое сечение канала, м2.

Выявив характер газодинамического процесса конвективной системы, определяют соответствие размеров площадей поверхностей тепловосприятия и теплоотдачи режиму эксплуатации печи. Если площадь поверхности тепловосприятия будет недостаточной, то теплопроизводительность печи не достигнет заданной величины, а стенки газохода будут интенсивно разрушаться от чрезмерного нагрева. Если площадь поверхности тепловосприятия (дымооборотов) чрезмерно развита, то температура уходящих газов может понизиться настолько, что из продуктов горения начнет выпадать конденсат, в результате резко ухудшится тяга, в помещение будет поступать дым и от влаги снизится прочность кирпичной кладки. Отсюда вытекает второе правило конструирования конвективных систем: площадь поверхности теплоотдачи печи должна быть равна площади поверхности тепловосприятия.

Третье правило конструирования конвективных систем состоит в следующем: протяженность газохода следует выбирать в зависимости от сопротивления потоку газов и температуры конденсации паров, содержащихся в продуктах горения.

КЛАССИФИКАЦИЯ КОНВЕКТИВНЫХ СИСТЕМ

Дымообороты представляют собой вертикальные или горизонтальные стенки, между которыми движутся топочные газы. Стенки перегородки называют рассечками 3 (рис. 44); горизонтальные участки, соединяющие каналы между рассечками, в зависимости от того, как изменяет направление поток газов, носят названия перевалов 2. Если газы поднимаются снизу вверх, затем поворачивают в сторону и опускаются вниз, то такой элемент системы называют перевалом. Поворот газов на 180° сверху и вниз осуществляется в элементе, называемом подверткой. Конвективные системы печей в зависимости от схемы их газового тракта бывают последовательными, параллельными, бесканальными, комбинированными, с воздухонагревательной камерой.

Рис. 44. Элементы конвективных систем с вертикальными дымооборотами

Системы с последовательно соединенными каналами (рис. 45, а) подразделяются на однооборотные 7, двухоборотные 2 и многооборотные 3 с восходящим движением топочных газов по горизонтальным каналам и коротким вертикальным участкам. Системы с параллельными каналами (рис. 45,6) делятся на однооборотные / и двухоборотные 2. В бесканальных системах (рис. 45, в), называемых также колпаковыми, каналы отсутствуют, их заменяют камеры (колпаки), в которых газы, вышедшие из топливника, движутся вначале вверх в виде струи, а затем растекаются вдоль стен, опускаясь к устью дымовой трубы.

Рис. 45. Конвективные системы печей

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ КОНВЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ

Рис. 46. Последовательная конвективная система с дымо-оборотами

В конвективных последовательных системах печей дымовые газы проходят протяженный путь к трубе (рис. 46, а, б), преодолевая большое количество местных сопротивлений в верхних (перевалах 5) и нижних (подвертках 6) точках, а также значительные линейные сопротивления. Большинство печников старой школы стремились класть такие печи, у которых последовательная конвективная система имела много оборотов: от 7 до 13. При этом нередко применялась двухплоскостная система (рис. 46, б) с несколькими подъемными / и опускными 2 каналами. Основные недостатки многооборотных печей: неравномерный прогрев конвективной зоны, что вызывает многочисленные трещины в кладке печи из за неравномерного температурного расширения каналов; значительное сопротивление газового тракта, что обусловливает необходимость возведения высоких дымовых труб; большое количество мест, где скапливается сажа.

Рис. 47. Схема движения топочных  газов  в горизон-тальных каналах

К последовательным относятся системы с подъемными (рис. 46 в) и опускными (рис. 46 г) горизонтальными и смешанными (вертикальными и горизонтальными) (рис. 46, III) дымооборотами. По эксплуатационным и технологическим качествам такие системы несовершенны. Это объясняется тем, что горячий поток топочных газов, перемещаясь по горизонтальным каналам, наслаивается на их верхние стенки (рис. 47), что ведет к снижению теплопередачи от газового потока к нижним стенкам каналов. КПД конвективных систем с горизонтальными каналами всегда ниже КПД систем с вертикальными каналами. Кроме того, горизонтальные каналы, у нижней поверхности которых скорость газов мала, подвержены интенсивным заносам сажей и золой. В свою очередь, это ведет к ухудшению работы печи. При кладке печей с горизонтальными каналами последние часто приходится оформлять в виде сводов, что технологически сложно. Печи с горизонтальными последовательными конвективными системами были распространены лишь в прошлом веке в помещениях не большей высоты, в которых вертикальные системы разместить не удавалось.

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ КОНВЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ

Такие системы впервые были введены в практику строительства печей русским архитектором И. И. Свиязевым. Конструктивная особенность параллельных систем состоит в том, что продукты горения подводятся к конвективной зоне по одиночному подъемномуканалу 6 (рис. 48, л) и распределяются общим верхним каналом 5 по нескольким параллельно функционирующим опускным каналам 4 газохода мчи. В каналах 4 топочные газы движутся сверху вниз, достигают коллектора 1, из которого отводят в дымовую трубу 2 через последний подъемный шкал 3.

Рис. 48. Параллельные конвективные системы

В многоплоскостных параллельных системах (рис. 48, б) подъемный канал 3, из которого продукты горения подводятся к конвективной зоне, как правило, занимает центральное положение. Каналы 4 с нисходящим потоком газов объединяются сборным горизонтальным каналом 8, из которого газы по каналу попадают в дымовую трубу 2.

Преимущества параллельных конвективных систем по сравнению с последовательными следующие: при равновеликих площадях поверхностей тепловосприятия сопротивление газового тракта значительно меньше; в одном и том же объеме конвективной зоны размещается большая теплоаккумулирующая масса; значительно меньшее количество сопротивлений на пути газового тракта; параллельная система обеспечивает равномерный прогрев всей конвективной части печи. Кроме того, каналы параллельной системы легко очистить от сажи. Преимущество систем с одним подъемным и несколькими опускными параллельными каналами — самопроизвольное регулирование тяги в конвективной части печи.

Выравнивание объемов циркулирующей среды выполняется лишь при двух условиях (рис. 48), когда продукты сгорания поступают в параллельно расположенные опускные каналы 4 из одиночного подъемного участка газохода 6, а не наоборот: когда нижний коллектор I обладает достаточной высотой. Коллектор должен быть сконструирован так, чтобы перегородки параллельных опускных каналов 4 (рассечки) не сужали его живое сечение. Несоблюдение этого условия — частая ошибка, допускаемая при кладке печей, которая ведет к неравномерному прогреву массива печи.

Рис. 49. Отопительная печь с параллельной конвективной системой

Параллельная конвективная система, характеризующаяся перечисленными преимуществами, нашла техническое воплощение в ряде конструкций отопительных печей. На рис. 49 приведена печь с одним подъемным и десятью опускными каналами. Система дымооборотов этой печи имеет достаточно развитую внутреннюю поверхность тепловосприятия и сбалансированность сопротивлений газового тракта. Расположение первого газохода в центре системы обеспечивает равномерное распределение количества продуктов сгорания между опускными каналами.

Несмотря на значительные преимущества, параллельные конвективные системы имеют и недостаток: трудно-устранимый перегрев верхней зоны, куда направляются наиболее горячие газы из топливника. Поэтому нижняя часть печи прогревается недостаточно интенсивно, что отрицательно сказывается на тепловом режиме помещения.

На рис. 50 приведены примеры конструирования параллельных конвективных систем: Проанализируем каждую схему и найдем наиболее рациональную. Рис. 50. Схемы параллельных конвективных систем

Схема 1 сконструирована плохо, так как каждый из дымооборотов испытывает различное сопротивление газовому потоку. Такая система будет прогреваться лишь в левой части.

В схеме 2 длина колец резко отличается одна от другой: первое кольцо наиболее короткое, последнее — в 2 раза длинней первого. При такой схеме массив будет прогреваться неравномерно.

Схема 3 принципиально неверна, так как параллельные каналы сконструированы восходящими. Поэтому принцип саморегуляции выполняться не будет.

Схема 4 технически грамотна. Все циркуляционные контуры аэродинамически сбалансированы, т. е. печь будет работать устойчиво и равномерно прогреваться.

Схема 5 неудачна в части выбора места подключения устья дымовой трубы, так как это нарушает работу сборного коллектора, который не имеет достаточной высоты и не обеспечивает одинаковой протяженности тракта на выходе газов из системы. Таким образом, только одна из пяти схем (схема 4) сконструирована правильно.

КОМБИНИРОВАННЫЕ КОНВЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ

Комбинированные конвективные системы устроены так, что горячие газы, выйдя из топливника, сначала опускаются вниз, обогревая стенки печи, расположенные на уровне топливника, затем поднимаются вверх и поступают в параллельно расположенные каналы, размещенные в верхней зоне печи. Такие конвективные системы называют также системами преимущественно нижнего обогрева (рис. 51, а). В комбинированных конвективных системах нижнего обогрева с одним подъемным и несколькими опускными каналами различной высоты (рис. 51,5) содержится верхний распределительный канал, представляющий собой коллектор переменного сечения. Дымовые газы поступают из подъемного канала в коллектор, сечение которого в начале наибольшее, а в конце наименьшее. Благодаря этому газовоздушная смесь равномерно распределяется по всем опускным каналам, что способствует равномерному прогреву печи. Если сечение коллектора постоянное, то большее количество горячих газов, обладающих значительной кинетической энергией, поступает в последний по ходу канал, что вызовет неравномерный прогрев массива печи.

Многоколлекторные комбинированные конвективные системы (рис. 51, в), применяемые в печах-лежанках, состоят из параллельных каналов, которые сгруппированы по два-три. Каждая группа объединяется своим распределительным и сборным коллектором. В некоторых комбинированных системах используют также последовательную схему (рис. 51, г), при которой дымовые газы сначала омывают нижнюю область печи, а затем поступают в последовательно объединенные каналы.

Рис. 51. Комбинированные конвективные системы

Внедрению бесканальных конвективных систем в технику печного отопления способствовали работы советского ученого В. Е. Гржимайло (1864 — 1928), который разработал различные модификации так называемых колпаковых печей одно- и многоэтажных конструкций. На рис. 52, а изображена колпаковая печь в металлическом футляре 1, в надтопочной части которой отсутствуют дымообороты. Принцип работы конвективной системы печи следующий.

Рис. 52. Колпаковая печь с бесканальной конвективной системой

Горячие газы из топливника поступают в надтопочную часть вертикальной струей значительной скорости (см. рис. 45, в). Соприкасаясь с холодными поверхностями печи, газы остывают и опускаются вниз. Навстречу охлажденным струям поднимаются горячие газы, поток которых расширяется по мере подъема к перекрытию колпака. Вовлекая постепенно в сферу своего движения пристенные струи, восходящие газы частично охлаждаются, опускаются между контрфорсами 2, представляющими собой вертикальные стенки, которые аккумулируют теплоту горячих газов (рис. 52,6; разрез Л—Л). Температура отработавших в колпаке дымовых газов, которые направляются в трубу, небольшая (около 120 °С), что обусловливает высокие теплотехнические качества колпаковых конструкций. КПД бесканальных конвективных систем 93,7%.

Рис. 53. Схема бесканальных (колпаковых) конвективных систем

Однако несмотря на простоту конструкции и высокую теплоотдачу, такие печи в современном строительстве применяют редко. Вызвано это тем, что колпаковые печи в верхней части перегреваются, а в нижней остаются относительно холодными; это создает большой перепад температур по высоте отапливаемого помещения. Чрезмерно нагретый комнатный воздух застаивается под потолком, увеличивая теплопотери здания, что в итоге приводит к неоправданному перерасходу топлива.

Основное преимущество бесканальной конвективной системы — незначительное внутреннее сопротивление потоку газовой среды. Поэтому колпак печей может быть сконструирован в виде одной большой камеры 2 (рис. 53, а), нескольких соединенных между собой камер (рис. 53,6) или одной камеры с перегородками (рассечками 3) (рис. 53, в), увеличивающими теплоаккумулирующую способность конвективных поверхностей. Однако во всех случаях вход газов в колпак и выход их в дымовую трубу осуществляются с низу конвективной части печи. Это делает возможным выпустить в дымовую трубу более холодные газы, не опасаясь уменьшения тяги.

РАСЧЕТ КОНВЕКТИВНЫХ СИСТЕМ

При расчете конвективных систем печей вычисляют площадь поверхностей тепловосприятия каналов и их теплоаккумулирующую способность; сечения каналов дымооборотов и скорости движения газов в дымооборотах. Рассмотрим методику расчета.

В дымооборотах и в колпаковой камере теплопередача происходит за счет конвекции. Теплопередача в каналах характеризуется коэффициентом тепловосприятия — количеством теплоты, воспринимаемой за 1 ч работы печи площадью 1 м2 канала. Воспринимаемую конвективной системой теплоту за период одной топки продолжительностью г часов определяют по формуле, основанной на уравнении Ньютона — Рихмана (см. § 20):

Qкс = (β1ƒ1 + βпрƒпр + βпосƒпос)z

гДе Qкс — теплота, воспринимаемая (аккумулирующаяся) конвективной системой, кДж; β1, βпрпос — коэффициенты тепловосприятия поверхностей конвективной системы, Вт/м2 (принимают по табл. 6); ƒ1, ƒпр, ƒпос — площади поверхности тепловосприятия, м2; 2 — продолжительность топки, ч. Все количество теплоты, аккумулирующееся печью, составляет:

при одной топке в сутки Q′акк = (24 - z)Qрч;

при одной топке в сутки Q″акк = (12 - z)Qрч;

где Qрч — расчетная часовая теплопроизводительность печи, кДж/ч. Теплота Qкс, которую должна воспринять конвективная система, будет равна:

при одной топке в сутки Qкс = (24 - z)Qрч - Qт;

при двух топках в сутки Qкс = (12 - z)Qрч - Qт,

где Qт — теплота, аккумулирующаяся топливником во время топки (теплопоглощение топливника), кДж. Площадь поверхности конвективной системы определяют соотношением:

Fкс = ƒ1 + ƒ2 + ... + ƒn = Qкс/(3,бzβср), где βср = ( β1 + β2 + ...+ βn)/n; n — число каналов. Объем топочных газов L (м3) в газоходах определяют исходя из объема воздуха, расходуемого на 1 кг сжигаемого топлива, и теплового расширения его при температуре в канале tк:

L = LоBч(1 + tк / 273)

где Lо — объем продуктов горения при 0°С, м3/кг; tк — температура газов в канале, °С.

Пример. Определить площадь поверхностей конвективной системы печи теплопроизводительностью Qрч = = 1160 Вт (4190 кДж/ч). Теплопоглощение топливника при z = 2 ч топки в сутки Qт = 46 090 кДж. Количество топок в сутки — одна. Вид топлива — дрова с Qрн = 12 600 кДж/кг. КПД печи ηп = 0,7; Lo = 20 мч/кг.

Решение. Находим необходимую суточную теплопроизводительность печи: Q′акк = (24 - 2) * 4190 = 92 180 кДж.

Количество теплоты, которое должно аккумулироваться конвективной системой, составит

Qкс = (24 - 2) * 4190 - 46090 = 92 180 - 46090 = 46090 кДж.

Так как печь рассчитана на дровяное топливо, то по табл. 6 коэффициенты тепловосприятия поверхностей каналов составят, Вт/м2: для первого β1 = 5200, второго и третьего βпос = βпр = 2670.

Приняв, что конвективная система печи состоит из трех каналов, найдем среднее тепловосприятие 1 м2 поверхности дымооборотов:

βср = (β1 + βпр + βпос) / 3 = (5200 + 2670 + 2670): 3 = = 10540:3 ~ 3500 Вт/м2.

Таким образом, площадь поверхности тепловосприятия конвективной системы должна составить (при двухчасовой топке)

Fкс = 46090 : (3,6 * 2 * 3500) = 1,83 м2.

Если высоту канала принять (по конструктивным соображениям) равной 0,9 м, то длина дымооборотов (конвективной системы) будет равна 1,83:0,9 = 2 м.

Зная суммарную длину конвективной системы, конструируем ее каналы: первый — подъемный, второй — опускной и третий — подъемный. Вычертим схему каналов (рис. 54).

Рис. 54. К примеру расчета конвективной системы

Найдем сечение каналов. При температуре газов в первом канале гх = 700 °С объем продуктов сгорания в нем составит:

L1 = 20Bч (1 + t1 / 273) = 20 * Qакк / Qрнηnz * (1 + t1 / 273) = (20 * 4190 * 20) / (12600 * 0,7 * 0,2) * (1 + 700 / 273) = 20 * 5,7 * 3,5 = 400 м3/час.

Примем сечение первого канала 0,12x0,26 м2, тогда площадь сечения будет равна Рх = 0,12 - 0,26 = 0,0312 м2. Скорость газов в первом канале составит:

ν1 = L1 / (3600F1) = 400 * (3600 * 0,0312) = 3,56 м/с.

Допустимая скорость газов в первом канале (см. табл. 6) колеблется в пределах от 1,5 до 4 м/с, значит, выбранное сечение приемлемо. При температуре газов во втором канале t2 = 500 °С их объем составит:

L2 = (20 * 4190 * 24) / (12600 * 0,7 * 2) (1 + 500 / 273) = 20 * 5,7 * 2,83 = 322 м3

Сечение второго канала принимаем такое же, как первого, тогда скорость газов во втором канале составит:

ν2 = 322 : (3600 * 0,0312) = 2,86 м/с

Сравнивая полученную величину с табличной (см. табл. 6), у которой верхний предел скоростей 2 м/с, делаем вывод, что сечение второго канала следует увеличить. Примем сечение второго канала 0,26 х 0,26 м2 F2 = = 0,26 • 0,26 = 0,0676 м2.

Отсюда скорость газов во втором канале будет равна:

ν2 = 322 : (3600 * 0,0676) = 1,3 м/с, т. е. 0,5 < 1,3 < 2, что удовлетворяет условиям конструирования конвективных поверхностей.

Найдем сечение последнего (третьего) канала:

L3 = 5,7-20 (1 + 160 / 273) = 5,7 * 20 * 1,5= 171 м3

Примем сечение третьего канала равным первому, тогда

ν3 = 171 : (3600 * 0,0312) = 1,5 м/с,

что удовлетворяет требованиям конструирования последнего канала.

При расчете конвективной системы печи следует добиваться того, чтобы длина и сечения каналов обеспечивали восприятие полного количества теплоты, необходимого для отопления помещений. Температура отходящих газов на выходе в дымовую трубу — один из показателей экономичного процесса горения и достаточности площади поверхности тепловосприятия дымооборотов. Высокая температура отходящих газов (250...300°С) свидетельствует о заниженных размерах конвективной системы; слишком низкая температура (до 100 °С) указывает на излишне большую площадь поверхности тепловосприятия. Следствием этого может быть неблагоприятный тепловой режим дымовой трубы: выпадение конденсата и смолистых веществ, которые поступают через кладку и разрушают оголовок трубы. Оптимальная температура отходящих газов на входе в дымовую трубу 120... 140 °С (см. табл. 6).

Таблица 6. Расчетные параметры газоходов печей

Таблица 6. Расчетные параметры газоходов печей



« предыдущая оглавление следующая »

2016-09-01 fireplace.su камины из кирпича, кладка каминов 4.86 (авторизуйтесь, чтобы поставить оценку)

Смотрите также:

КАМИНЫ ИЗ КИРПИЧА


КЛАДКА КАМИНОВ




Советуем прочитать:

up
Наличие и цена
Заполните форму ниже и закажите обратный звонок
Ваше имя
Заполните пож-ста поле ИМЯ !
Ваш телефон
Укажите пож-ста Ваш телефон !